LNG项目栈桥管廊模块节点建模提效研究

刘春磊，王浩，孙明玉

1.中国石油集团海洋工程有限公司，山东青岛 266555

2.辛北尔康普（青岛）机器设备有限公司，山东青岛 266426

俄罗斯亚马尔LNG 项目FWP5 包是液化天然气外输到码头进行装载的栈桥管廊部分，采用SPP（Sit Pre-assembled Piperack）的建造形式，即将模块分为多个散件在CPOE（中国石油集团海洋工程有限公司）场地进行预制，完成后在俄罗斯场地组装成模块，最后将模块整体安装到预定位置。

俄罗斯亚马尔LNG 项目位于北极圈内的亚马尔半岛，FWP5 包散件运输需利用北冰洋航线，其全年无冰期和轻冰期总计约4个月，限制了船舶的通航窗口期，因此，为了保证所有SPP 模块的散件能够按期打包装船，必须严格按计划完成散件预制。在这种工期非常紧张的情况下，提高加工设计效率是保证项目施工进度的基础。

根据合同要求，结构加工设计须使用国际上应用广泛的钢结构深化设计软件Tekla Structures（简称TEKLA），因而结构加工设计的主要工作流程是：首先，依据详细设计图纸搭建TEKLA 模型；然后，自动生成加工设计图纸和报告[1]。

FWP5 包39个模块的节点数量近3 万个，而TEKLA 软件自带的组件[2]与要搭建的目标节点匹配性较差，无法直接或采用简单的参数修改来完成节点建模。对单个模块而言，节点建模时间占总建模时间的80%以上，因此，提高节点建模效率是保证结构加工设计整体工作效率的关键。

1 详细设计图纸特点

加工设计工作开展的基础是详细设计图纸，FWP5 包详细设计图纸主要包含以下两类：

（1）总体布置图。图中主要包含构件定位尺寸、构件之间连接节点类型代号和主零件截面规格等信息[3]，是创建不带节点连接细节的结构框架模型的基础，以及为节点细节建模提供节点选用参考，包含各标高平面图和各轴线立面图，如图1 所示。每个模块的总体布置图是本模块特有的，39个模块总共有39套总体布置图，是创建各模块无节点连接框架模型的基础。

图1 平面总体布置图示例（示意）

（2）典型节点图。图中主要包含构件间不同主零件规格和不同节点类型的连接详细信息，如连接板尺寸、厚度、螺栓型号和螺栓孔位置等[4]。节点类型主要有EM（端部弯矩型）、EMH（端部弯矩加强筋型）、EMSH（端部弯矩剪力加强筋型）、SS（单剪型）、PSB/PSC（小立柱支撑平行/垂直型）、LT/HY（斜撑端部连接）、MT（弯矩拼接型）和组合型等[5]，如图2 所示。所有模块共用1套典型节点图，是创建每个节点连接细节模型的基础。

图2 节点类型示例（示意）

2 节点建模方法分析

2.1 常用节点建模方法

在节点建模中，当拟建节点与TEKLA 软件自带组件的形式相同或相近时，则可以直接利用TEKLA 软件自带组件创建节点，而在FWP5 包中，节点连接形式与TEKLA 软件自带组件形式差异较大，如果使用TEKLA 软件自带组件，则需要进行大量的参数修改工作，适用性不强[6]。除了利用TEKLA 软件自带组件进行节点建模外，目前常用的建模方法还有“复制修改法”和“单模型定制组 件库法”[7]，这三种方法各自的特点见表1。

表1 常用节点建模方法主要特点

2.2 “共用定制组件库法”构思

常用的节点建模方法基本都是围绕单个模块，没有针对性地考虑39个模块整体的节点建模效率，因此，为了提高整体节点的建模效率，应创建多个模型能够共用的定制组件库，实现不同模块之间相同节点的相互借用，即“共用定制组件库法”。

对于创建单个定制组件而言，利用“共用定制组件库法”需要投入两倍多人工时，如果模块之间相同节点数量较少，采用“共用定制组件库法”就失去意义。为明确是否运用“共用定制组件库法”进行节点建模，应初步核算采用该方法进行节点建模的提效情况。

依据粗略估算，模块间相同的节点数量约占单模块节点总数量的40%，假设两两模块之间相同节点比例为40%，按照统计学离散型随机变量（0 ～1）分布的分布律公式[8]，有：

P{X=k}=pk（1-p）1-k，k=0，1；0 ＜p ＜1式中：P 为拟建模型在其他任意一个已建模型基础上应新建节点占比，%；X 为拟建模块中是否新建节点的事件，无量纲；k 取值0 表示新建节点，取值1表示不新建节点，无量纲；p 为任意两两模块之间相同节点数量在单模块节点总数量中的占比，依据前述假设，取40%。

设第N个拟建模型在已建N-1个模型基础上仍需新建节点数量在拟建模块节点总数量中占比为PN，形象化示例如图3 所示，则：

第1个模型：P1=100%

第2个模型：P2=1-p=1-40%=60%

第3个模型：P3=1-p-（1-p）p=（1-p）2=（1-40%）2=36%

第N个模型：PN=（1-p）N-1=60%N-1

以此推算，前8个模块节点建模合成初步共用定制组件库后，第9个模块需创建新节点的数量占比约1.7%，因此能够明确，采用共用定制组件库将大幅减少节点建模时间。

图3 拟建模块中新建节点占比示意

3 “共用定制组件库法”应用

3.1 定制组件开发方式选择

由于FWP5 包39个模块的共用定制组件库包含的节点类型非常多，必须专门进行二次开发来创建定制组件[9]，主要方式有两种：一是TEKLA软件公司专业人员开发；二是CPOE 自有加工设计人员开发。经过对这两种开发方式进行分析对比（见表2），为了保证项目工期和有效控制加工设计工作，应采用CPOE 自有加工设计人员开发的方式。

3.2 “共用定制组件库法”流程研究

“共用定制组件法”应用过程中必须制定详细的控制流程（如图4 所示），以便保证每个定制组件准确无误，因为有问题的定制组件会导致所有利用该组件进行建模的节点出现错误，如果错误未被及时发现导致扩展到建造过程，后果会非常严重。

表2 两种定制组件开发方式对比

图4 “共用定制组件库法”运用流程

3.3 共用定制组件库创建和应用

基于“共用定制组件法”运用流程，在形成共用定制组件库的过程中，共创建了主柱与梁EMSH、主柱与梁SS、小柱与梁SS、主梁与次梁SS、梁与水平撑HY、梁与立面撑HY、梁与立面角钢LT、梁与小柱PSB/PSC/PST 以及组合连接等定制组件281个，示例见图5。

在共用定制组件库的基础上，各加工设计人员根据详细设计总体布置图中的节点类型，在无节点连接的框架模型上创建节点连接，通过碰撞检查确认无误后，最终完成本人所负责模块的建模工作，如图6 所示。如果节点创建过程中发现新节点形式，则按流程补充完善共用定制组件库。

图5 不同节点类型的定制组件示例

图6 利用共用定制组件库创建节点连接

4 节点建模提效分析

根据实际节点建模过程中的数据统计，在第一批8个模块中，各模块需新建节点的比例随着已建模型的数量递增而逐渐减小；从第二批第9个模块开始，新建节点数量占比已经非常小，实际变化趋势与构思“共用定制组件库法”时的预测相同。

汇总39个模块节点建模实际所用人工时，同时根据以往建模经验，假设采用“复制修改法”和“单模型定制组件库法”进行节点建模人工时估算，形成对比数据见表3，可算得“共用定制组件库法”与“单模型定制组件库法”和“复制修改法”相比，节点建模效率分别提高了3.3 倍和7.5 倍。

表3 三种节点建模方法效率对比

5 结束语

根据亚马尔LNG 项目FWP5 包39个栈桥管廊模块结构形式中节点总数多且模块间具有一定相似性的特点，充分结合TEKLA 软件功能，寻求适用的节点建模方法，是结构加工设计工作顺利开展的关键。本研究表明，构建“共用定制组件库法”节点建模思路并制定详细的控制流程，同时运用TEKLA 软件二次开发创建相应的定制组件，能够增强节点建模在模块之间的共用性，从而大幅提高多个模块整体的节点建模效率。